KR100312016B1 - 전동식 동력조향장치 시험용 ｈｉｌｓ 시스템 - Google Patents

전동식 동력조향장치 시험용 ｈｉｌｓ 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 동력조향장치 시험용 HILS(Hardware-In-the-Loop-Simulation) 시스템에 관한 것이다.
실차 환경하에서는 시험을 수행하는 시험자가 위험한 상황에 노출될 수 있고, 차량동력학의 복잡성과 비선형적 요소들에 의해 시험과정에서 측정하기 어려운 부분이 있으며, 반복적인 시험이 불가능하다.
본 발명은 전동식 동력조향장치중 기계부의 내구성시험, 이시유(ECU)내의 제어로직시험, 센서신호시험등을 위한 시험의 대상이 되는 조향 휠, 조향 칼럼, 랙, 모터, ECU, 센서로 이루어지는 스티어링 부분을 하드웨어부로 하고, 차량의 나머지 부분들인 타이로드, 스티어링 링키지, 섀시 및 타이어의 동적거동은 DSP(Digital Signal Processor)나 연산속도가 아주 빠른 컴퓨터를 이용하여 실시간 시뮬레이션하여 상기 하드웨어부에 필요한 반력을 계산하여 액츄에이터를 사용하여 구현하도록 한 소프트웨어부로 구성되어 있다. 본 발명을 통하여 실차 시험을 통해 이루어지는 전동식 동력조향장치의 성능검증을 실험실 내에서 시험할 수 있게 하고, 이로 인해 제품 개발기간의 단축과 이에 드는 소요경비를 크게 줄일 수 있게 된다.

Description

전동식 동력조향장치 시험용 ＨＩＬＳ 시스템 {Hardware-In-the-Loop-Simulation (HILS) System for Testing Eletcric Power Steering Systems}
본 발명은 전동식 동력조향장치 시험용 HILS(Hardware-In-the-Loop-Simulation) 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 장착하는 자동차 메카트로닉스 부품의 개발과정은 설계 및 제작, 제작된 시작품의 성능시험, 시험결과의 피드백을 통한 재설계로 이루어진다.
종래 자동차의 메카트로닉스 부품의 성능시험은 많은 시간과 경비가 소요되는 실차시험을 통하여 이루어진다.
이와같은 실차 환경하에서는 차량동력학의 복잡성과 비선형적 요소들에 의해 시험과정에서 측정하기 어려운 부분이 있으며, 반복적인 시험이 불가능한 점이 있고, 특히 시험을 수행하는 시험자가 위험에 노출되는 경우도 있어 시험에 많은 제약이 따른다.
이를 해소하기 위한 대안으로서 컴퓨터만을 이용한 모의 시험을 이용할 수 있으나, 이는 정확한 모델링의 어려움 등으로 인해 실차의 거동을 반영하는데 충분하지 못하다.
본 발명은 전동식 동력조향장치의 시험을 위한 HILS 환경을 제공하여 전동식 동력조향장치의 성능검증을 실험실내에서 가능하게 하고 시험을 정확하고도 간단하게 시험할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
본 발명은 전동식 동력조향장치중 시험의 대상이 되는 조향 휠(steering wheel), 조향 칼럼(column), 랙, 모터로 이루어지는 스티어링 부분인 하드웨어부와 타이로드(tie rod), 스티어링 링키지(linkage), 섀시 및 타이어등의 동적거동(動的擧動)을 DSP(Digital Signal Processor)나 연산속도가 충분히 빠른 컴퓨터를 이용하여 실시간으로 시뮬레이션하여 하드웨어부에 필요한 신호를 생성하는 소프트웨어부로 구성하되, 상기 하드웨어와 소프트웨어 사이에 ADC(Analog to Digital Converter), 액츄에이터(Actuator)로 인터페이스 하여 전동식 조향장치를 모의 시험하도록 하는 것이다.
본 발명은 자동차의 코너링시 지면과 타이어와의 마찰로 인해 발생하는 힘 때문에 발생하는 스티어링 부분의 랙(rack)에 작용하는 일축 하중을 액츄에이터(공압, 유압, 또는 모터방식의 구동기)를 사용하여 여러 운전상황에 맞게 실시간으로 구현하고자 하는 것이다.
도 1a, 도 1b는 본 발명의 원리를 설명한 HILS 시스템 블럭도
도 2는 본 발명의 상세 블럭도
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 전동식 동력조향장치의 일반적인 구성원리도
도 4는 본 발명의 전동식 조향장치 시험을 위한 구성도
도 5는 본 발명의 실시간 차량동력학 시뮬레이션에 사용된 17자유도 차량모델의 구성도
도 6은 본 발명의 조향장치 기구학 모델을 나타낸 구성도
도 7a∼도 7e는 본 발명을 이용하여 나타난 시뮬레이션 결과 그래프
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 조향휠 11 : 랙 12 : 피니언
20A : DSP 40 : ADC 50 : DAC
60 : 액츄에이터
도 1a는 본 발명의 일반원리를 설명한 도면이고, 도1b는 상기 도 1a를 하드웨어부(100)와 소프트웨어부(200)로 나누어 설명한 개략도 이며, 도 2는 도 1의 상세 블럭도이다.
즉, 하드웨어부(100)는 피시험 대상의 차량의 조향 휠(10), 조향 칼럼, 랙(11), 피니언(12), 모터(13)등으로 이루어진 전동식 동력 스티어링 시스템(10A)으로 이루어지며, 이 스티어링 시스템(10A)은 운전자의 조향에 의해 발생하는 랙(11)의 변위(Xrack)를 변위센서(LVDT)를 이용하여 소프트웨어부로 전달하고, 이 정보를 이용하여 랙(11)에 작용되어지는 힘(Frack)을 소프트웨어부에서 차량의 동역학 모델을 사용하여 실시간으로 계산하고, 이 계산된 힘이 액추에이터(60)를 통해서 랙(11)에 구현되도록 함으로써 하드웨어부(100)에 필요한 전기적 기계적신호 들이 생성될 수 있도록 하여 하드웨어부(100)의 동작에 의하여 운전자가 리액션 토크(Reaction Torque(Tre))를 느낄 수 있도록 한다. 그리고, 소프트웨어부(200)는 타이로드(20), 스티어링 링키지, 섀시, 타이어(21)를 소프트웨어로 모델링한 것을 실시간 중앙처리장치인 DSP(20A)로서 처리하여 호스트 컴퓨터(30)는 DSP(20A)와의 통신을 통해 시뮬레이션된 차량의 거동상태 등을 모니터링할 수 있게 한다.
도 2는 도 1의 상세도로서, DSP(20A)보드는 차량의 진행방향속도(Vx) 및 차륜의 조향각(θw)을 차량 새시동역학 시뮬레이션 입력 신호로 입력하고, 타이어 새시동역학 모델로부터 도로와 타이어 사이의 마찰로 인해서 타이어에 발생하는 힘(Ftire)을 상기 차량의 새시 동역학 모델에 입력하여 차량의 동적거동을 시뮬레이션하여 측가속도, 요 속도(yaw rate), 차량의 진행방향 속도등과 같은 출력신호(X,Y,Pie...)를 확장 버스(Expansion bus)를 통해 모니터(monitor)로 전달해서 사용자(user)가 모니터링 할 수 있게 하고(도2), 운전자의 스티어링 입력신호(θhw)에 의해 랙(11)이 움직이면 이 변화한 양을 변위센서(LVDT)로 측정하여 ADC(40)을 통해 DSP(20A)로 넘어가게 하고, 이 정보를 가지고 바퀴에 걸리는 토크와 랙(11)에 작용하는 힘을 계산하여 처리하도록 한다.
또한, 소프트웨어부(200)에서 처리된 랙(11)에 작용하는 힘의 신호는 액츄에이터( 60)를 통해 스티어링 칼럼, 랙(11), 피니언에 전달되도록 하고 있다.
도면중 Xrack는 랙의 변위, 는 θw는 차륜조향각, Frack는 랙(11)에 작용하는 힘, θhw는 스티어링 휠 앵글, Tre는 스티어링 리액션 토크,rack는 랙의 변위, Ftire는 타이어의 힘이며, 20A', 20B'는 콘넥터(connector)이다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 전동식 동력 조향장치의 일반적인 구성원리를 나타낸 것으로, 타이어(21)에서 발생하는 힘이 스티어링 기구를 통해 랙(11)에 일축하중으로 전달되며 스티어링 칼럼에 부착된 토크센서 등을 사용하여 콘트롤유니트(16)에서 운전자에게 필요한 토크를 계산하여 부착된 전동기(17)로 토크를 발생시키게 된다.
이러한 시스템을 실험실에서 개발/실험하려면 여러 운전상황에서 작동하는 랙(11)의 일축하중을 정확히 만들어주어야 하는데, 이를 위해서 랙(11)의 변위를 변위센서(LVDT)로 측정하고, 측정된 정보를 이용하여 아주 빠른 DSP(20A)를 이용한 차량동력학 모델 시뮬레이션을 통해 랙(11)에 작용하는 일축하중을 계산하여 주면 이 신호를 받아 액츄에이터(60)로 그 힘을 생성시켜서 실제 랙(11)에 가해주면 된다.
도면중 Rm은 직류모터와 연결된 랙-피니언의 기어비, Rs는 스티어링 칼럼과 연결된 랙-피니언의 기어비 이다.
도 4는 본 발명의 전동식 조향장치 시험을 위한 구성도로서, 공압, 유압 또는 모터등과 같은 액츄에이터(60)를 장착하여 모의실험을 수행하도록 하는 것이다.
즉, 본 발명은 시험의 대상이 되는 전동식 동력 스티어링 부분을 하드웨어로 시뮬레이션 루프에 포함시키고, 타이로드등과 같은 차량의 나머지 부분은 소프트웨어로 모델링하여 하드웨어부(100)와 소프트웨어부(200)를 변위센서(LVDT)와 액츄에이터(60)로 연결하며, 상기 변위센서(LVDT)는 랙(11)에서 발생된 변위정보를 ADC(40)을 통해 소프트웨어로 전달하고, 소프트웨어(실시간 차량동력학)에서 계산된 힘은 랙(11)과 연결된 액츄에이터(60)로 지령되어 타이로드에서 랙(11)으로 전달되는 힘이 구현되도록 하여 실험을 수행하게 하는 것이다.
한편, 본 발명은 시뮬레이션의 정확도를 보장하는 정확한 차량동력학 시스템 모델과 함께 제한된 샘플링 시간내에서 실시간 시뮬레이션을 가능하게 하기 위한 신속한 적분방법이 필요하게 되는데 이를 위하여 집중질량 모델을 이용하여 실시간 시뮬레이션이 가능하게 처리한다.
본 발명의 시뮬레이션에 사용된 17자유도 차량 모델은 도 5에 나타난 바와 같이, 실제 차량모델에서 나타나는 복잡한 링키지 구조는 나타나있지 않고 섀시와 네 바퀴를 집중질량으로 가정하여 식을 유도한 집중질량 모델이다.
즉, 도 5는 본 발명의 실시간 차량동력학 시뮬레이션에 사용된 17자유도 차량모델의 구성도로서, 17개의 자유도를 가지는 17dof(degree of freedom)차량모델을 나타낸 도면이다. 여기에서 섀시부분은 차량의 전진방향(Xs), 차량의 측면방향(Ys), 차량의 아랫방향(Zs)의 선형운동(3개), 각운동(3개)인 6개의 자유도와, 휠부분은 휠의 수직운동(Z방향) 4자유도(각 휠에 하나씩의 자유도), 휠의 회전운동 4자유도(각 휠에 하나씩의 자유도), 앞바퀴(2개)의 조향운동 2자유도인 10개의 자유도와, 랙의 병진운동 1자유도를 포함한 전체 17자유도를 가진다.
도 6은 본 발명의 조향장치 기구학 모델을 나타낸 구성도로서, 랙(11)에 걸리는 힘을 계산하기 위한 수식을 유도하기 위하여 나타낸 기구학 모델이다.
즉, 랙(11)의 병진운동은 변위센서(LVDT)로 측정하여 조향기구 시스템의 기구학 모델을 통하여 좌,우 앞바퀴의 조향각을 산출하고, 타이어 모델은 기존문헌에 제시된 MAGIC FORMULA를 이용하여 선회/직진 주행등에서의 차량동력학 시뮬레이션에서 계산된 타이어의 힘과 모멘트는 상기 도 6의 모델을 통하여 최종적으로 랙(11)으로 전달되는 힘으로 다음의 관계식과 같이 계산된다.
여기서, Mkp는 킹핀 축에 대한 합 모멘트이고, Fzf는 타이어에서의 수직력, d는 킹핀 오프셋, λ는 횡방향 경사각, ν는 캐스터각, r은 타이어의 반경이다.
도 6의 부호 Lkp는 킹핀의 길이, δw는 바퀴의 회전각도, θO는 킹핀과 차량의 진행방향이 이루는 각도이다.
도 7은 본 발명을 이용하여 나타난 시뮬레이션 결과 그래프로서, 40Km/hr의등속도 운동에서 J턴 조향 입력하에서의 랙 변위(a), 랙에 작용되는 힘(b), 요 속도(c), 요 가속도(d), 왼쪽 타이어의 슬립각(e)등을 본 발명을 이용해서 시뮬레이션 한 결과이다. 전체적으로 빠르고 정확한 HILS 결과를 보이고 있음을 볼 수 있다.
본 발명을 이용하여 많은 시간과 경비가 소요되는 실차시험을 통해 이루어지는 전동식 동력조향장치의 성능검증을 본 발명을 통해서 제품 개발기간의 단축과 경비절감의 효과를 얻을 수 있고, 실차시험을 통해 이루어지기 힘든 반복적인 시험과 시험을 수행하는 시험자가 위험에 노출되는 상황 등 많은 제약을 효율적으로 극복할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (1)

  1. 차량의 타이로드, 스티어링 링키지, 섀시 및 타이어등의 동적거동이 실시간으로 구현되도록 타이로드, 스티어링 링키지, 섀시 및 타이어등의 부분을 동적으로 모델링하고 DSP 혹은 PC(20A)를 이용하여 실시간으로 시뮬레이션하는 소프트웨어부(200)를 형성하고, 피시험의 대상이 되는 조향 휠(10), 조향 칼럼(14), 랙(11), 피니언(12), 모터(13), ECU, 센서로 이루어지는 전동식 조향장치 부분을 하드웨어부(100)로 구성하되, 조향 휠(10)의 조향에 따라 변위하는 랙(11)의 변위를 변위센서로 측정하여 그 변이 정보를 소프트웨어부(200)에 입력하여 소프트웨어부(200)에서 타이어에 걸리는 토크 및 랙에 작용되는 힘을 계산하도록 하고, 이렇게 계산된 힘이 랙(11)에 액츄에이터(60)를 이용하여 구현되도록 하는 전동식 동력조향장치 시험용 HILS 시스템.
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